CN105457093A - 一种批量化生产聚合物多孔支架的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，该多孔支架是通过结合超临界流体挤出发泡法和冷冻干燥法联用制得，主要包括如下步骤：(1)聚己内酯基复合发泡材料的制备；(2)致孔剂相的滤除；(3)壳聚糖三维网络的引入。本发明具有挤出发泡为连续化生产，生产多孔支架的效率高，致孔剂相的引入可显著提高多孔支架的内部连通性，物理发泡剂与致孔剂的连用保证了致孔剂可被迅速滤除且无明显残留的优点，属于生物医用材料领域。

Description

一种批量化生产聚合物多孔支架的方法
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，公布了一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，特别涉及一种由超临界流体挤出发泡法及冷冻干燥法联用制备内含壳聚糖三维网络的聚己内酯多孔支架的方法。
背景技术
多孔支架的制备是组织工程学研究领域中的重要研究内容之一，它主要是起到细胞外基质的作用，引导细胞在其上生长进而生成新的目标组织或器官，起到替代或修复病损器官或组织的目的。自从组织工程多孔支架的概念提出以来，研究者们开发了多种制备多孔支架的方法，如静电纺丝法、热致相分离法、溶液浇注/粒子沥滤法、气体发泡法等。
静电纺丝法是制备聚合物多孔支架的常用方法，其典型的特点是制备出的支架呈现纤维状，可以很好的模拟仿生细胞外基质的结构[JournalofBiomedicalMaterialsResearch,2002,60(4):613-621]，然该方法的缺陷是规整性不足、且当纤维厚度过大时，支架内部连通性较差，不利于营养物质的传输。
热致相分离法又称冷冻干燥法，杨光采用该方法制备出了聚己内酯与角蛋白复合多孔支架[CN104004221A]，华中科技大学万影教授课题组通过采用叠层冷冻干燥法制备出了三层聚己内酯-壳聚糖多孔梯度支架材料[聚己内酯/壳聚糖梯度支架的制备及其性能研究，程文则，华中科技大学，硕士学位论文],暨南大学屠美课题组采用二次热致相分离法制备出了PLLA/CS及PPC/CS纤维状多孔支架[二次相分离法仿生构建复合纳米纤维支架及其性能研究,暨南大学，硕士学位论文，陈昊东；JournalofMaterialsScience:MaterialsinMedicine，2012,23(2):513-525]。Nam等采用通过改善热致相分离法工艺，以二恶烷/水为溶剂，分别制备出了PLLA、PDLLA和PLGA多孔支架[Biomaterials,1999,20:1783-1790]。福建师范大学刘榕芳课题组采用相分离法制备出了纳米级羟基磷灰石/聚己内酯-壳聚糖多孔支架[高分子科学与工程，2008，24(10)：155-158；CN101015712A；材料导报，2007，21(10)：135-143]。AurelioSalerno等以乳酸乙酯为溶剂，以氯化钠作为致孔剂，利用热致相分离法制备出了PCL和PCL/HA多孔支架，该方法避免了有毒溶剂的使用，且支架泡孔率达到92％[JournalofPorousMaterials,2015,22(2)：425-435]。
Reignier等以聚环氧乙烷(PEO)和NaCl作为致孔剂，通过熔融共混和粒子沥滤法结合制备出了聚己内酯多孔支架[Polymer,2006,47(13):4703-4717]。Yang等对传统的粒子沥滤法进行了改进，将与水混合过的NaCl在烘箱中烧结得到多孔盐基质，在真空条件下将得到的盐基质浸在PCL/THF溶液中，除去溶剂相和水溶相NaCl,真空干燥后得到孔径均匀且内部相互连通性好的PCL三维多孔支架[MacromolecularSciencePartB,2006,45(6):1171-1181]。Wu等将室温注射成型与粒子沥滤法结合，通过控制溶剂量来实现含有致孔剂的聚合物溶液的流动性，制备出了孔隙率高达94％的耳朵形支架[Biomaterials,2006,27(2):185-191.]
使用相分离法、粒子沥滤法等方法制备出的多孔支架的孔隙率可高达95％，孔径范围可达到20～500um,然而这些方法在制备支架过程中大多涉及到有机溶剂，存在溶剂残留隐患。因此，为了避免有机溶剂的使用，研究者们采用超临界流体作为致孔剂来制备聚合物多孔支架。Salerno等在使用超临界二氧化碳固态发泡过程中使用两步降压法制备出了大小孔兼具的PCL和PCL-HA多孔支架[Polymer2006,47,4703]。Botchway课题组先采用熔融共混法制备出PCL与PEO共混物，然后在间歇发泡装置中进行发泡制备PCL多孔支架[ActaBiomater2008,4,1187]。Kramschuster等以PVOH和NaCl为致孔剂相，采用双螺杆挤出机制备了PLA/PVOH/NaCl共混物，然后将制得的共混物利用微孔注塑成型发泡，并滤除致孔剂相，得到了平均泡孔尺寸为200um，且泡孔率为75％的PLA多孔支架[JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartB,2010,92B(2):366-376]。
上述制备聚合物多孔支架衍生出的各种方法虽然能够制备出泡孔率高、力学性能好的支架材料，且对传统的制备工艺存在的问题如粒子沥滤法存在致孔剂残留、热致相分离法存在着溶剂残留、气体发泡法存在着泡孔内部连通性不足等进行了大量的改进，但是大多制备方法耗时较长，制备组织工程支架涉及的聚合物基体材料多为人工合成聚合物材料，缺乏细胞结合位点，在支架表面进行化学接枝天然高分子又会对支架的性能带来不良影响。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，提出将超临界流体挤出发泡法和冷冻干燥法相结合制备内含壳聚糖纤维网络结构的内部连通性好、泡孔率高的聚己内酯多孔支架。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，该多孔支架是由具有良好生物相容性的聚己内酯和壳聚糖通过超临界流体挤出发泡法和冷冻干燥法联用制得，包括如下步骤：(1)聚己内酯基复合发泡材料的制备：将聚己内酯与致孔剂相在双螺杆挤出机中进行熔融共混，制得两相体系共混物；将超临界流体注入到塑化熔融的共混物中，进行连续挤出发泡；(2)致孔剂相的滤除：利用连续循环水流装置将步骤(1)中制得的聚己内酯基复合发泡材料中的致孔剂相滤除，得到聚己内酯多孔支架；(3)壳聚糖三维网络的引入：将步骤(2)中制得的聚己内酯多孔支架置于壳聚糖溶液中浸泡，取出聚己内酯多孔支架进行冷冻干燥，得到含有壳聚糖的聚己内酯多孔支架。
作为一种优选，步骤(1)中，聚己内酯与致孔剂相在放入双螺杆挤出机前先要进行干燥；步骤(2)中，致孔剂相滤除完毕后，聚己内酯基复合发泡材料需进行真空干燥。
作为一种优选，步骤(1)中，致孔剂相包括聚合物致孔剂相和粒子相致孔剂；先将聚己内酯与聚合物致孔剂相干燥后，在双螺杆挤出机上熔融共混，冷却造粒，制备两相体系共混物；再将粒子相致孔剂与两相体系共混物在双螺杆挤出机上共混，并在双螺杆挤出机的塑化熔融段注入超临界流体，进行连续挤出发泡。
作为一种优选，聚合物致孔剂相为溶于水的聚合物，粒子相致孔剂为溶于水的无机盐相。
作为一种优选，聚合物致孔剂相为聚己内酯和聚合物致孔剂相总质量的50％，粒子相致孔剂为聚己内酯和聚合物致孔剂相总质量的0～10％。
作为一种优选，聚合物致孔剂相为聚环氧乙烷，粒子相致孔剂为氯化钠。
作为一种优选，超临界流体为超临界二氧化碳或氮气。
作为一种优选，步骤(1)中，双螺杆挤出机口模挤出温度为100℃，螺杆转速为100rad/s,压力15MPa。
作为一种优选，步骤(2)中，连续循环水流装置使用的连续循环水为去离子水。
作为一种优选，步骤(3)中，壳聚糖溶液质量浓度为0.01～0.1％；壳聚糖的分子量为50000～190000，脱乙酰度为85％，溶解壳聚糖所用溶剂为稀醋酸，优选的，稀醋酸的体积百分比浓度为0.05％。
总的说来，本发明具有如下优点：
(1)挤出发泡中所使用的超临界流体为超临界氮气，挤出发泡为连续化生产，生产多孔支架的效率高，致孔剂相的引入可显著提高多孔支架的内部连通性，物理发泡剂与致孔剂的连用保证了致孔剂可被迅速滤除且无明显残留。
(2)多孔支架制备过程中不涉及有机溶剂，无溶剂残留问题，引入的壳聚糖纤维网络结构可以在微观上模拟细胞外基质的结构，大大提高多孔支架的细胞相容性。
(3)本发明制备出的多孔支架平均泡孔尺寸为265um，泡孔率高达86％，压缩模量达到25MPa,并且通过调节发泡工艺及致孔剂含量，可调节泡孔尺寸及支架强度，以达到满足不同类的组织工程支架的要求。
附图说明
图1为实施例一制得的含有壳聚糖网络的PCL多孔支架扫描电镜图。
图2为实施例二制得的含有壳聚糖网络的PCL多孔支架扫描电镜图。
图3为实施例三制得的含有壳聚糖网络的PCL多孔支架扫描电镜图。
本文中，PCL为聚己内酯,PEO为聚环氧乙烷,CS为壳聚糖,NaCl为氯化钠。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
(1)将PCL和PEO真空干燥后，将其置于双螺杆挤出机中进行熔融共混，PEO的含量为PCL与PEO总质量的50％，挤出口模温度为100℃，螺杆转速为100rad/s。
(2)将步骤(1)制备的共混物在双螺杆挤出机上塑化熔融后，向熔体中注入超临界氮气，恒压压力为15MPa,挤出口模温度为100℃，螺杆转速为100rad/s；制得PCL/PEO发泡材料。
(3)将步骤(2)中制得的PCL/PEO发泡材料置于连续循环水流装置中，过滤时间24h，滤去PEO相，真空干燥后得到PCL多孔支架，干燥时长24h。
(4)将步骤(3)得到的PCL多孔支架置于质量浓度为0.01％的壳聚糖溶液中浸润12h，壳聚糖溶液所用溶剂为质量体积浓度为0.05％的醋酸，取出冷冻干燥制得含有壳聚糖网络的PCL多孔支架，冷冻干燥时长24h。
实施例二
(1)将PCL和PEO真空干燥后，将其置于双螺杆挤出机中进行熔融共混，PEO的含量为PCL与PEO总质量的50％，挤出口模温度为100℃，螺杆转速为100rad/s。
(2)将步骤(1)制备的共混物作为基体材料，加入质量分数为10％(即质量为聚己内酯和聚合物致孔剂相总质量的10％)的NaCl在双螺杆挤出机上进行熔融共混，向熔体中注入超临界氮气，恒压压力为15MPa,挤出口模温度为100℃，螺杆转速为100rad/s；制得PCL/PEO/NaCl发泡材料。
(3)将步骤(2)中制得的PCL/PEO/NaCl发泡材料置于连续循环水流装置中，过滤时间24h，滤去致孔剂相PEO和NaCl，真空干燥后得到PCL多孔支架；干燥时长24h。
(4)将步骤(3)得到的PCL多孔支架置于质量浓度为0.05％的壳聚糖溶液中浸润12h，壳聚糖溶液所用溶剂为质量体积浓度为0.05％的醋酸，取出冷冻干燥制得含有壳聚糖网络的PCL多孔支架，冷冻干燥时长24h。
实施例三
(1)将PCL和PEO真空干燥后，将其置于双螺杆挤出机中进行熔融共混，PEO的含量为PCL与PEO总质量的50％，挤出口模温度为100℃，螺杆转速为100rad/s。
(2)将步骤(1)制备的共混物作为基体材料，加入质量分数为10％(即质量为聚己内酯和聚合物致孔剂相总质量的10％)的NaCl在双螺杆挤出机上进行熔融共混，向熔体中注入超临界氮气，恒压压力为15MPa,挤出口模温度为100℃，螺杆转速为100rad/s；制得PCL/PEO/NaCl发泡材料。
(3)将步骤(2)中制得的PCL/PEO/NaCl发泡材料置于连续循环水流装置中，过滤时间24h，滤去致孔剂相PEO和NaCl，真空干燥后得到PCL多孔支架；干燥时长24h。
(4)将步骤(3)得到的PCL多孔支架置于质量浓度为0.1％的壳聚糖溶液中浸润12h，壳聚糖溶液所用溶剂为质量体积浓度为0.05％的醋酸，取出冷冻干燥制得含有壳聚糖网络的PCL多孔支架，冷冻干燥时长24h。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：该多孔支架是超临界流体挤出发泡法和冷冻干燥法联用制得，包括如下步骤：
(1)聚己内酯基复合发泡材料的制备：将聚己内酯与致孔剂相在双螺杆挤出机中进行熔融共混，制得两相体系共混物；将超临界流体注入到塑化熔融的共混物中，进行连续挤出发泡；
(2)致孔剂相的滤除：利用连续循环水流装置将步骤(1)中制得的聚己内酯基复合发泡材料中的致孔剂相滤除，得到聚己内酯多孔支架；
(3)壳聚糖三维网络的引入：将步骤(2)中制得的聚己内酯多孔支架置于壳聚糖溶液中浸泡，取出聚己内酯多孔支架进行冷冻干燥，得到含有壳聚糖的聚己内酯多孔支架。
2.按照权利要求1所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：步骤(1)中，聚己内酯与致孔剂相在放入双螺杆挤出机前先要进行干燥；步骤(2)中，致孔剂相滤除完毕后，聚己内酯基复合发泡材料需进行真空干燥。
3.按照权利要求1所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：步骤(1)中，致孔剂相包括聚合物致孔剂相和粒子相致孔剂；先将聚己内酯与聚合物致孔剂相干燥后，在双螺杆挤出机上熔融共混，冷却造粒，制备两相体系共混物；再将粒子相致孔剂与两相体系共混物在双螺杆挤出机上共混，并在双螺杆挤出机的塑化熔融段注入超临界流体，进行连续挤出发泡。
4.按照权利要求3所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：所述聚合物致孔剂相为溶于水的聚合物，粒子相致孔剂为溶于水的无机盐相。
5.按照权利要求3所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：所述聚合物致孔剂相为聚己内酯和聚合物致孔剂相总质量的50％，粒子相致孔剂为聚己内酯和聚合物致孔剂相总质量的0～10％。
6.按照权利要求3所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：所述聚合物致孔剂相为聚环氧乙烷，粒子相致孔剂为氯化钠。
7.按照权利要求1所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：所述超临界流体为超临界二氧化碳或氮气。
8.按照权利要求1所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：步骤(1)中，双螺杆挤出机的口模温度为100℃，螺杆转速为100rad/s,压力15MPa。
9.按照权利要求1所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：步骤(2)中，连续循环水流装置使用的连续循环水为去离子水。
10.按照权利要求1所述的一种批量化生产聚合物多孔支架的方法，其特征在于：步骤(3)中，壳聚糖溶液质量浓度为0.01～0.1％；壳聚糖为低分子量壳聚糖，其分子量Mn为50000～190000，脱乙酰度为85％，溶解壳聚糖所用溶剂为稀醋酸。
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